Страсти по вибрационным насосам "Ручеек" или "Малыш"

Статья предоставлена почитателем вибрационных насосов из открытых источников.

В статье делается анализ конструкций бытовых вибрационных насосов, и приводятся рекомендации по повышению его потребительских свойств в процессе капитального ремонта и модернизации.

"Совершенно случайная теоретическая дискуссия порой может затянуться на целые годы. И, наверное, единственным выходом из нее может быть лишь практическое подтверждение твоей точки зрения. Так, во всяком случае, было со мной.
В начале девяностых завязался теоретический спор с доктором технических наук Владимиром Даниловичем Лущиком, который в то время вместе с Геннадием Николаевичем Поповым занимался разработкой новой конструкции бытового вибрационного насоса (объемно-инерционный насос). В. Д. Лущик обратился ко мне с просьбой изготовить отдельные детали насоса.
Познакомившись с конструкцией, я не удержался от критических замечаний и потом пожалел об этом. Завязался спор до хрипоты, но каждый остался при своем мнении. Ввязаться в спор, видно пчела попала под одно место, но отступать было уже поздно. Так как все другие аргументы были уже исчерпаны, пришлось доказывать практикой. Через два дня, основательно изуродовав серийный «Малыш», мы слепили свой вибрационный насос, который был в два раза меньше и в два раза меньше потреблял электроэнергии при том же давлении и производительности которые развивал серийный. Реноме отстояли, и можно было бы остановиться, но тут масло в огонь подлил Геннадий Николаевич. Эксперименты были продолжены. За год было создано и испытано несколько вариантов конструкций бытовых вибрационных насосов. В одной из них для повышения активной удельной мощности был применен электромагнитный привод с регулируемым объемным витком.

Эксперименты с этим приводом дали интересные результаты. В результате был разработан и изготовлен промышленный образец, но дальше дело не пошло. Внешний вид промышленного образца и серийного насоса представлен на Рис.1. Промышленность умирала, и осваивать новое производство никто не захотел. В середине девяностых производством бытовых вибрационных насосов в Украине занималось уже более пятнадцати предприятий. В СССР ежемесячно производилось около 700 тысяч бытовых вибрационных насосов. Основные производители и их торговые марки представлены в Таблице 1. Технические характеристики насоса «Малыш» представлены в Таблице 2. Российские производители, кроме прочего, представлены на рынке насосами «Босна LG», «Ливень», «Престиж» комнпании «Энергоальянс», ЭТМА г.Вологда, «Дачник», «Удалец», «Риони», "Ручеек", "Малыш", "Водолей".

Производство отечественных насосов этого типа имеет давнюю историю – ведь первый надежный, так называемый инерционный насос был создан еще в 1890 году талантливым русским инженером В.Г. Шуховым. Много позднее аргентинец Т. Беллок предложил другую схему инерционного насоса.
  Родоначальником отечественных бытовых вибрационных насосов принято считать начальника отдела товаров народного потребления Московского завода «Динамо» Брейтера. По непроверенной информации конструкция насоса была «содрана» у Итальянцев и за 30 лет производства практически не претерпела существенных изменений. По принципу действия он мало, чем отличается от вантуза, широко известного инструмента для прочистки канализации. Разве что «приводом» (извините за банальную шутку). Реальные попытки улучшить потребительские качества насосов начали предприниматься только в последние годы. К модернизированным насосам можно отнести торговую марку «Дачник», "Ручеек", «Престиж», «Ливень», «Босна LG», "Малыш".

При всех своих преимуществах и кажущейся простоте ни одна из отечественных марок вибрационных насосов не смогла полностью удовлетворить требования, предъявляемые потребителями. Обладая малыми размерами, развивая высокий напор и имея приемлемую цену, они все же вызывают много нареканий. Вибрационные насосы очень чувствительны к перепадам напряжения, они создают большой уровень шума и вибрации. Без учета качества изготовления различным маркам насосов присущи свои характерные особенности и недостатки. Чем они обусловлены?

Не загружая читателей лишней информацией, изложу только основные практические выводы и рекомендации. Всю теорию и результаты измерений намеренно опускаю, так как даже годовой объем журнала не позволит это сделать, а частичное изложение не принесет практической пользы.
Бытует мнение, что бытовые вибрационные насосы (БВН) обладают малым током потребления. Измерения показывают, что бытовые вибрационные насосы имеют низкий косинус в пределах 0,2-0,4, поэтому реактивный ток, протекающий в его катушках, в несколько раз превышает значение активного тока, указанного в паспорте. Значение косинуса очень сильно зависит от величины переменного воздушного зазора между сердечником и якорем насоса. Нестабильность воздушного зазора обусловлена воздействием статического напора на амортизатор. В момент включения бытовые вибрационные насосы зазор максимальный. По мере наполнения магистрали столб воды начинает давить на амортизатор, уменьшая зазор между якорем и магнитопроводом (Рис.2). (Зачастую, уменьшение воздушного зазора приводит к тому, что якорь начинает стучать по магнитопроводу, обрекая насос на разрушение). Чем меньше зазор, тем ниже косинус. Его значение зависит от режима работы и марки насоса. Реактивный ток, не совершая полезной работы, в значительной степени способствует нагреву обмоток. Поэтому бытовые вибрационные насосы часто сгорают при неправильной настройке рабочего зазора и при ухудшении условий охлаждения. Для того, что бы избежать перегрева обмоток при понижении уровня воды, ряд бытовые вибрационные насосы выполняют с верхним всасыванием, что бы корпус всегда омывался водой Рис. 3. У бытовые вибрационные насосы с нижним расположением всасывания (Рис. 4) вероятность сгорания обмоток от перегрева при понижении уровня воды в источнике выше, чем у бытовые вибрационные насосы с верхним всасыванием (Рис. 5).
Не вдаваясь в теорию, чисто визуально, по суммарному сечению входных отверстий бытовые вибрационные насосы можно оценить с точки зрения потерь на всасывание. Чем больше суммарное сечение и периметр входных отверстий, тем меньше потери на всасывание и на акустические излучения, возникающие при работе входного клапана. Некоторые заводы для уменьшения этих потерь устанавливают два входных клапана (Рис.6). Наименьшие потери на всасывание у насосов с щелевыми входными отверстиями. Входной клапан может крепиться к корпусу с помощью резьбового соединения или с помощью пластичного фиксатора. На качестве работы насоса новый способ крепления практически не сказывается, но позволяет уменьшить трудозатраты при изготовлении насоса.

С целью повышения безопасности, ряд насосов, в том числе и для экспорта, снабжен трехжильным шнуром с так называемой Евровилкой. для заземления корпуса. Такие насосы при правильном подключении более безопасны. Для повышения безопасности некоторые насосы, аттестуемые по высшей категории качества, выпускались на пониженное напряжение с использованием понижающего трансформатора с блоками управления и защиты, обеспечивающей отключение насоса при перегрузках и ненормальной работе. В виду большей цены они не получили широкого распространения на отечественном рынке. Некоторые модели насосов снабжены термозащитой. Отдельные марки насосов снабжены гидроаккумуляторами и входными фильтрами из волокнисто пористого полиэтилена для перекачки воды с повышенным содержанием взвешенных частиц (Рис. 7). Этот фильтр натягивается на входной патрубок и прекрасно очищает воду даже от мельчайших частиц (до 50 мкм). Лабораторные исследования показали, что фильтр имеет очень низкое сопротивление току воды и практически не влияет на производительность насоса. По мере загрязнения фильтр достаточно промыть обратным током воды или заменить. Использование такого фильтра продлевает срок службы насоса и дает чистую воду для хозяйственных нужд. Часть насосов имеют внешний кольцевой амортизатор, предотвращающий вибрационное воздействие корпуса насоса на стенки скважины. Эти насосы имеют несколько меньший наружный диаметр, около 85 мм, обычный около 96 мм.

Это та малая часть айсберга, что не скрыта от глаз и может быть оценена при беглом взгляде. Внутри все обстоит намного сложнее и хуже. Огромное значение на работу насоса оказывает качество резины амортизатора – одного из основных элементов. Если бы наша промышленность изготавливала его из латекса, идущего на производство презервативов, нашим насосам не было бы цены. Обычно резиновые элементы изготавливаются из пищевых марок резины. Резина должна быть высокопластичной, слегка глянцевой и достаточно жесткой.
Для изготовления сердечников электромагнитной системы бытовые вибрационные насосы предприятия производители используют различные типы сталей. В основном применяется так называемая динамная холоднокатаная и горячекатаная электротехнические стали различных марок, используемые в производстве электродвигателей. Мне встречались бытовые вибрационные насосы, электромагнитная система которых была выполнена не из электротехнической стали, а из обычной жести. Различные типы сталей обладают различной магнитной проницаемостью и индукцией насыщения, что в свою очередь вызывает существенный разброс параметров выпускаемых бытовые вибрационные насосы, достигающий нескольких крат. При штамповке пластин некоторые предприятия не учитывают направления проката. Это в свою очередь приводит к увеличению потерь в стали, хотя и незначительным по сравнению с остальными потерями. Большинство предприятий не предают особого значения оптимальному подбору марки стали, ошибочно полагая, что это не существенно. Такого же мнения придерживался и В. Д. Лущик. Наилучшей для изготовления электромагнитной системы БВН является трансформаторная электротехническая сталь.
Практически во всех бытовые вибрационные насосы катушки заливают эпоксидной смолой или компаундом. Для экономии и улучшения теплопроводности в некоторых марках бытовые вибрационные насосы в эпоксидную смолу добавляют различные наполнители. Следует отметить, что такое новшество практически не сказывается на надежности и эффективности бытовые вибрационные насосы. Основное назначение заливки - фиксация элементов электромагнитной системы в корпусе насоса и защита катушек от воздействия влаги. Если таким образом первая задача решается, то от воздействия влаги заливка не спасает. Дело в том, что под воздействием переменного электромагнитного поля в шихтованном магнитопроводе возникает магнитострикционный эффект (изменение геометрических размеров тела под воздействием магнитного поля). При попадании влаги на открытый торец магнитопровода она втягивается в щели между пластинами. Потом под давлением в несколько десятков атмосфер она выжимается в микропоры заливки. И так 50 раз в секунду, пока влага не достигнет проводников. Конечный результат не трудно предугадать. От этой напасти не спасает и предварительная намотка катушек на пластиковые каркасы, так как между каркасом и заливкой всегда имеется определенная проницаемая граница раздела.

Рассмотрим конструкцию якоря. С механической точки зрения она простая, жесткая и надежная, весьма технологична при изготовлении (Рис.4). В центре якорь имеет отверстие, пересекающее более 30% поперечного сечения шихтованного пакета, в которое запрессован шток. Имея худшие электромагнитные свойства по сравнению с пакетом, шток создает дополнительное сопротивление. Основной магнитный поток, циркулирующий в якоре, наводит в части штока, пересекающей поперечное сечение якоря, вихревые токи, которые в свою очередь создают магнитный поток (паразитный), сдвинутый на 90 градусов относительно основного. Этот магнитный поток противодействует амортизатору и препятствует возврату якоря в исходное положение. Эксперименты показали, что он на 20-25% снижает эффективность насоса. Многие ошибочно полагают, что влияние этого потока можно компенсировать жесткостью амортизатора. Детальный анализ показывает, что паразитный поток приводит к дополнительному напряжению амортизатора, уменьшению рабочего воздушного зазора между якорем и магнитопроводом, уменьшению амплитуды колебаний якоря и как следствие к снижению производительности насоса. Значительно меньшее сопротивление и меньший паразитный поток создают накладки якоря с заклепками, образующие со штоком замкнутые контуры в зонах перехода основного магнитного потока с якоря на магнитопровод. На практике этим потоком можно пренебречь.
Очередной сюрприз преподносит рабочий воздушный зазор (Рис.8). Основной магнитный поток, проходя через воздушный зазор, вытесняется за его пределы и замыкается на боковых поверхностях магнитопровода и якоря. Вытесненный магнитный поток не совершает полезной работы и зависит от величины воздушного зазора. В общем случае он может быть оценен в 20-25% от всей величины магнитного потока, протекающего в магнитопроводе. Так же от величины воздушного зазора зависит потокосцепление между внутренними поверхностями катушек и потоки рассеяния наружных частей катушек. Эти потоки возрастают с увеличением рабочего воздушного зазора и приводят уменьшению основного магнитного потока в магнитопроводе. Поэтому начальное значение воздушного зазора необходимо устанавливать индивидуально в зависимости от условий эксплуатации и высоты подъема.
Выяснив основные моменты, влияющие на эффективность работы электромагнитного привода бытовые вибрационные насосы и получив ответ на первый извечный вопрос, кто виноват, можно попытаться найти ответ на второй вопрос, что делать?

В ходе ремонта вибрационного насоса необходимо учитывать ряд моментов. Если сердечник магнитопровода изготовлен из холоднокатаной электротехнической стали, его при выжигании обмоток нельзя нагревать свыше точки Кюри. Это приводит к ухудшению электромагнитных свойств стали, и как следствие к снижению рабочих параметров БВН. В общем случае, при выжигании обмоток можно применять нагрев до температуры не более 300 градусов Цельсия.

При ремонте катушки вибрационного насоса желательно мотать проводом марки ПЭТ200 и их необходимо предварительно пропитывать лаком во избежание взаимного истирания изоляции проводников при электромагнитной детонации витков. Для этих целей применяется лак КО913, ГФ95, в крайнем случае, можно использовать лак МЛ92. Катушки предварительно прогреваются до температуры 70-80 градусов и погружаются в лак на 10-15 минут. При охлаждении катушек лак втягивается в поры. После пропитки катушки 24 часа сушат на открытом воздухе при температуре 20-25 градусов. Затем катушки досушивают при температуре 110-130 градусов. В бытовых условиях можно воспользоваться следующим способом. Подсушенные катушки оборачивают фольгой. Ведро песка нагревают доступным способом до температуры 140-150 градусов и хорошо его перемешивают. Катушки зарывают в песок и оставляют в нем до полного остывания. При этом ведро дополнительно утепляют.
Внимание! Примите все меры противопожарной безопасности! Не производите пропиточные работы в близи открытых источников огня. Помещение должно хорошо проветриваться. При досушивании идет интенсивное выделение паров растворителя. Высушенные катушки освобождают от фольги и устанавливают на магнитпровод. Заливку эпоксидной смолой проводят обычным способом. Пропитанные катушки при равных условиях служат намного дольше.
Перед началом эксплуатации вновь приобретенного или отремонтированного насоса необходимо выполнить настройку воздушного зазора и качающей системы. Необходимость настройки нового насоса обусловлена безалаберным отношением к их изготовлению и несоответствие заводских настроек конкретным условиям эксплуатации. В первую очередь настраивают воздушный зазор. Для его регулировки используются шайбы различной толщины, устанавливаемые между якорем и амортизатором (упругим резинометаллическим элементом). Начальный зазор должен составлять около 3 мм. Затем на шток устанавливают все элементы качающей системы вместе с рабочим органом. На собранный шток свободно устанавливают корпусную деталь, при этом между амортизатором и корпусной деталью должен быть зазор около 1 мм. Этот зазор устанавливают подбором шайб между рабочим элементом и диафрагмой. Шток обтягивают и производят полную сборку насоса. Насос опускают в источник и проводят пробное включение.
Если насос стучит, необходимо на 0,5 мм увеличить воздушный зазор и повторить испытания. При настройке необходимо подобрать минимально возможный воздушный зазор, который обеспечивает работу насоса без стука при всех штатных режимах эксплуатации (без учета сухой работы). Обращаю внимание еще раз: для достижения максимальной эффективности работы насоса необходимо производить его настройку индивидуально для конкретных условий эксплуатации. В противном случае срок службы насоса сокращается и увеличивается удельный расход электроэнергии. Для предотвращения жесткого удара якоря по магнитопроводу при нештатных режимах Г. Н. Попов предложил заливать в привод некоторое количество диэлектрической жидкости. Это решение остается спорным, так как при малых зазорах она будет создавать дополнительные потери.

Вторая проблема это стойкость материала амортизатора к воздействию жидкости.
Для уменьшения гидравлических потерь всасывания, входные отверстия можно выполнить с конусом наружу и нанести на корпусные детали демпфирующее покрытие. Например, покрыть их силиконовым клеем или пенополиуританом. Эффективность подобных мероприятий остается спорной. Спорной остается целесообразность конструкции штока с ее обилием центрующих деталей. Многие полагают, что они способствуют резонансным явлениям, уменьшающим потребляемую мощность. Другие полагают, что они эффективно противодействуют перекашиванию рабочего органа и повышают ресурс работы насоса. Подтвердить или опровергнуть данные убеждения, можно лишь проведя масштабные сравнительные ресурсные испытания.
Более серьезных результатов можно достичь, изготовив элементы магнитной системы из трансформаторной стали. Для этих целей могут подойти пластины от масляных силовых трансформаторов. Лучшими параметрами обладает сталь от высокочастотного силового оборудования. Для изготовления магнитопровода, берутся пластины подходящего размера и набираются в пакет требуемой толщины с 10% запасом вместе с 2 мм стальными накладками. Перед сборкой пластины тщательно очищают от заусениц, пыли, масла и прочего. Деформированные пластины лучше выбросить сразу, чем потом выбрасывать готовый сердечник. Если пластины велики, их лучше обрезать после сборки пакета. Пакет с максимальным усилием обжимается между двумя отрезками швеллера с помощью болтов М16 с мелкой резьбой. Уточняется геометрия пакета. При необходимости корректируется число пластин в пакете и пакет окончательно обтягивается. Затем через швеллер сверлятся отверстия под заклепки. Сверлить желательно в станке на малой подаче, дрель уводит. Для сверления электротехнической стали, требуется определенный навык и аккуратность, поэтому рекомендуем потренироваться. В швеллере отверстия рассверливаются таким образом, что бы можно было произвести клепку пакета. Пакет клепают и снимают швеллера. Полученную заготовку обрабатывают под нужные размеры. Для этого можно использовать «Болгарку». Торцовые поверхности пакета, которые были подвергнуты механической обработке, желательно оксидировать холодным способом.
С якорем дело обстоит сложнее. Из уголка подходящих размеров делается заготовка. В ней сверлится отверстие под шток. Шток вставляется в отверстие и обваривается с внешней стороны. Набирается пакет с накладкой и собирается аналогично магнитопроводу. Накладка электросваркой сваривается с уголком и делается механическая обработка. Под сварку делается катет. Конец штока должен плотно упираться в пакет. Следует учесть, что если используется стандартный шток, то его нужно предварительно укоротить со стороны рабочего органа с учетом толщины стандартного пакета. При клепке необходимо принять меры против образования короткозамкнутого витка. Для этого под головку заклепки устанавливается изолирующая прокладка и шайба.
На магнитопровод устанавливаются катушки и через немагнитную прокладку, толщиной 3 мм к торцам поджимают якорь. Катушки включают в сеть и замеряют ток. Его значение должно быть минимум на 20-30% меньше стандартного. Дальше по необходимости. Если нужна экономичность, просто собирают насос. Если нужна мощность, уменьшают число витков до номинального тока, рассчитывают сечение проводника по максимальному заполнению окна и перематывают катушки. Сборка и настройка как обычно. Заранее могу сказать, что расчетным путем определить оптимальное число витков и диаметр провода крайне сложно. Для этого нужно выполнить не всем доступные измерения фактических параметров магнитной системы. Проще подобрать экспериментально, обойдется быстрее и дешевле. На опытных образцах насосов мы применяли провод ПЭТ200 диаметром 0,71 мм, стандартный был 0,63 мм.

Для гурманов предлагаем попробовать более сложный способ модернизации насоса с изготовлением Ш – образного магнитопровода (Рис. 9). Ширина центрального языка как у стандартного магнитопровода. Боковая в среднем сечении – половина центрального. Толщина пакета должна позволять разместить катушку в корпусе насоса с учетом ширины окна магнитопровода. Технология изготовления - аналогична вышеописанной. С наружной стороны магнитопровод выполнен на конус для плотного размещения в корпусе насоса. Рабочий воздушный зазор выполнен по центру катушки. Верхние торцы магнитопровода упираются в стальное упорное кольцо толщиной 3 мм устанавливаемое в корпус между магнитопроводом и амортизатором. Нерабочий воздушный зазор между торцами якоря и магнитопроводом около 0,5 мм. Такая конструкция позволяет свести до минимума вытеснение магнитного потока из рабочего воздушного зазора и уменьшить поля рассеивания. Насос менее чувствителен к перепадам напряжения и величине воздушного зазора. Обладает более высоким коэффициентом мощности и меньшими реактивными токами Максимальный рабочий ход якоря более 4 мм. Для намотки катушки мы использовали провод диаметром 0,37 мм. Оптимальное число витков подбирали экспериментально. Катушка заливается компаундом или эпоксидной смолой отдельно, а затем, после установки на магнитопровод, подклеивается к корпусу насоса. Насос не боится сухой работы и без воды не перегревается в течение 7 часов. При повторении конструкции размеры магнитной системы необходимо выбрать исходя из размеров корпусных деталей конкретного насоса.

Вокруг данной конструкции так же шли ожесточенные споры с Поповым и Лущиком. Естественно она не идеальная и имеет свои недостатки. Большие дебаты шли вокруг усилия, развиваемого одним рабочим зазором, в отличие от двух стандартных. Большие сомнения вызывает нерабочий воздушный зазор, создающий боковые усилия при не точном изготовлении, которые могут привести к трению при использовании серийного амортизатора. Особый разговор об отходах штамповки при серийном производстве. Предложенный вариант не окончательный и послужил лишь основой для модернизации серийных насосов и создания новой конструкции насоса представленного на Рис.1.
Для любителей поэкспериментировать можем предложить намотку катушек параллельными проводниками. Дело в том, что меньшему сечению проводника соответствует большая допустимая плотность тока. Получается, если стандартная катушка намотана одним проводником диаметром 0,67 мм, то в два проводника она должна быть намотана проводом диаметром не 0,47 мм, а 0,41 мм. Наибольший интерес представляет намотка катушек двумя проводниками разного сечения для получения более высокого коэффициента заполнения меди. Внимание! Данное решение можно использовать только для насосов с коэффициентом мощности не ниже 0,85. Это связано с тем, что при значительном индуктивном сопротивлении комплексный ток, протекающий в параллельных ветвях, будет почти одинаков. Это приведет к разогреву более тонкого проводника из-за превышения в нем допустимой плотности тока. При высоких значения коэффициента мощности, значение тока в параллельных ветвях в основном определяется активной составляющей тока. Небольшой перекос по токам компенсируется более высокой допустимой плотностью тока в более тонком проводнике. Оптимальный расчет сечений проводников требует точных измерений параметров электромагнитной системы на всех режимах работы. Практической реализацией данного решения мы рекомендуем заниматься специалистам, имеющим достаточный опыт в данном направлении. В противном случае можно просто в пустую убить массу времени и материалов.

Отдельной темой для разговора может служить конструкция двухтактного насоса с питанием катушек через диоды с отводом реактивных токов через диоды обратного тока. Использование переходных процессов и резонансных явлений с учетом свойств эластичного рабочего органа позволяет открыть новое направление в создании конструкций вибрационных насосов. Заслуживает внимание и использование явления магнитострикции в полимерном объеме с кордированием рабочего элемента. Совмещение свойств электротехнических материалов с их электропроводностью открывает дополнительные возможности в повышении удельной мощности вибрационных насосов. Привнесение в насосостроение изолирования способом оксидирования металлов еще один рубеж. Использование магнитов на редкоземельных элементах в конструкции рабочего органа – не паханое поле. Даже старые женские колготки в сочетании с минеральными маслами могут послужить рабочим телом в длинноходовых погружных насосах. Если у Европы хватило ума засунуть силикон в женские груди, неужели у нас не хватит ума использовать современные достижения науки и техники в других направлениях?

Надеемся, что наш опыт принесет пользу тем, кто задумал «взрастить» своего бытового вибрационного насоса "Ручеек" или «Малыша».

Отредактировано Александр (2012-10-13 23:26:52)